外窗遮陽系統太陽得熱系數及其對空調負荷的影響*

西部綠色建筑國家重點實驗室 西安建筑科技大學 劉 衍 趙 歡 張向榮 張 辰 楊 柳

0 引言

隨著人們對全球環境問題的關注和建筑節能工作的普及，建筑師對建筑能耗問題不再陌生[1]。從全社會的能耗情況來看，建筑能耗約占社會總能耗的40.6%[2]。因此，在營造舒適室內熱環境的同時，充分降低建筑能耗成為當前研究的熱點。大量的研究與工程實踐表明，通過合理的建筑熱工設計，充分提升建筑物及其圍護結構的熱工性能是實現建筑節能的重要途徑[3]。在建筑物及其圍護結構中，窗戶是熱工性能最為薄弱的構件。據統計，在供暖或空調條件下，冬季由于外窗熱工性能差而損失的熱量約占供暖負荷的30%～50%，為消除透過外窗進入室內的夏季太陽輻射熱所需的冷量約占空調負荷的20%～30%，而透過玻璃窗的室內太陽輻射得熱量占建筑物圍護結構所形成冷負荷的一半以上[4-5]。由此可見，在建筑節能中應充分關注窗戶的節能措施，其節能技術關鍵在于合理應用遮陽裝置，有效控制太陽輻射得熱[6]。

外窗通過遮陽裝置來控制太陽輻射得熱的效果可用太陽得熱系數SHGC(solar heat gain coefficient)來量化。太陽得熱系數的定義為“通過透光圍護結構(門窗或透光幕墻)的太陽輻射室內得熱量與投射到透光圍護結構(門窗或透光幕墻)外表面上的太陽輻射量的比值”[7]。如圖1所示，進入室內的太陽輻射得熱量分為太陽輻射室內直接得熱量和太陽輻射室內二次傳熱量。為了使各種外窗和遮陽產品之間的性能可進行對比，JGJ/T 151—2008《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》中給出了門窗或透光幕墻的太陽光總透射比計算方法和標準計算條件[8]。

圖1 通過外窗進入室內的太陽輻射得熱

在外窗遮陽系統的太陽輻射得熱研究方面：楊仕超指出，一般外遮陽比內遮陽的效果好很多，因為內遮陽裝置吸收的太陽輻射熱仍然留在室內[9]。丁勇等人建立太陽輻射模型，計算分析了不同玻璃在不同朝向下的室內太陽輻射得熱量[10]。金星等人利用實驗與模擬方法，研究了SHGC與太陽入射角的關系，發現不同朝向玻璃窗的SHGC隨著太陽入射角變化呈現有規律的變化，而當玻璃窗表面沒有太陽直射輻射時，SHGC基本保持不變[11]。Manz通過實驗研究了采用中置遮陽的雙層通風玻璃幕墻在夏季自然對流條件下，安裝順序和通風策略對SHGC的影響[12]。Adeeba等人研究了加利福尼亞外窗遮陽系統在6個朝向的SHGC大小，并分析了遮陽裝置對室內熱環境的影響[13]。Karlsson等人給出了玻璃系統SHGC計算的經驗模型多項表達式[14]。上述研究多通過實驗或模擬的方法分析外窗遮陽系統太陽輻射得熱和其SHGC變化情況，SHGC研究主要集中于遮陽形式、朝向、太陽位置對其數值大小的影響，且時間尺度為1天，對于更長時間尺度上的SHGC值變化情況則缺乏研究。

在外窗遮陽系統的負荷研究方面：McQuiston等人提出了日射冷負荷系數，對透過玻璃窗的日射冷負荷計算精度進行了改進[15]。孫德宇等人根據理論計算結果，對太陽輻射在室內分配的比例進行了統一，解決了國內常用的負荷計算軟件中外窗冷負荷差異較大的問題，同時大大提高了負荷計算軟件的計算精度[16]。楊爽等人建立了玻璃窗的室內蓄熱平板模型，為解決太陽輻射透過玻璃窗形成的冷負荷計算提供了一個新思路[17]。趙士懷等人分析了節能窗對室內得熱和空調冷負荷的影響[18]。上述研究主要集中于無遮陽外窗形成的冷負荷計算，對于采用不同遮陽形式外窗系統的日射得熱冷負荷研究很少，同時由于太陽輻射和陰影的逐時變化，導致逐時計算通過外窗遮陽系統進入室內的太陽輻射得熱量難度加大，進而使外窗遮陽系統的輻射負荷模擬實際情況的難度加大。

綜上，目前外窗遮陽產品的太陽得熱系數是在標準計算條件下得到的，是一個固定值，不能直接用于節能工程計算，相較于標準計算條件得到的太陽得熱系數，更長時間尺度的太陽得熱系數，如1個月或者冬季(夏季)，更能宏觀地反映外窗遮陽產品的熱工性能。同時，隨著各種外窗遮陽系統的出現，如何評價其對房間空調負荷的影響；如何選擇合理的遮陽形式，平衡內外遮陽的作用，以最優方式解決隔熱問題都有進一步的研究空間[19]。基于上述問題，本文以夏熱冬冷地區的南京市為例，對外窗(雙玻中空玻璃)遮陽系統的太陽得熱系數在全年逐月的變化規律、4種外窗遮陽系統在不同朝向方位角上的年太陽得熱系數，以及不同外窗遮陽系統形成的房間負荷等進行了研究。本研究對評價外窗(雙玻中空玻璃)遮陽系統的熱工性能，選擇以建筑節能為目的的外窗遮陽形式有一定參考意義。

1 外窗遮陽系統形成的負荷計算

對于空調房間，房間得熱量由通過圍護結構進入房間的熱量及房間內部散發的各種熱量組成，其中通過圍護結構進入房間的熱量很大一部分是從窗戶得到的。通過窗戶的得熱量分為窗戶傳導得熱量和太陽輻射得熱量，影響兩者的主要參數為窗戶的傳熱系數K和太陽得熱系數SHGC，將通過窗戶的得熱分解為對流得熱和輻射得熱，再對對流得熱和輻射得熱引起的冷負荷分別求和，便求得窗戶形成的冷負荷。如果室內負荷為熱負荷，則熱流的方向相反，但原理相同。

外窗遮陽系統形成的冷負荷計算流程如圖2所示。從圖2可以看出，計算透過外窗的太陽輻射及其形成的冷負荷是一個比較復雜的過程。首先，窗口的太陽輻射強度隨地點、朝向、時間的改變而改變；其次，不同外窗系統對太陽輻射的阻擋能力不同，造成通過窗戶進入室內的太陽直射、散射輻射量不同；最后，要將太陽輻射得熱分解成對流和輻射部分分別計算，才能最終得到冷負荷。其中各個時刻通過窗戶的太陽輻射得熱計算式[20]如下：

Q(k)=AwdIAC[SHGC(θ(k))ED(k)+

SHGCDEdt(k)]

(1)

式中Q(k)為各個時刻通過外窗遮陽系統進入室內的太陽輻射得熱量，W；k為計算時刻；Awd為窗戶面積，m2；IAC為內遮陽衰減系數；SHGC(θ(k))為入射角為θ(k)時的太陽直接得熱系數；ED(k)為k時刻的太陽直射輻射，W/m2；SHGCD為太陽散射得熱系數，其值近似等于垂直入射的SHGC(0)；Edt(k)為k時刻的散射輻射，W/m2。

圖2 外窗遮陽系統形成的冷負荷計算流程

外窗遮陽系統的太陽得熱系數的計算時段可以是1天、1個月或者1年，計算時段內的太陽得熱系數，反映了在某一時間段內外窗遮陽系統對太陽直射輻射和散射輻射的綜合遮擋效果，其計算式如下：

(2)

式中SHGCs為外窗遮陽系統在計算時段內的太陽得熱系數；n為總小時數；IG(k)為k時刻投射到窗口的太陽輻照度，W/m2。

2 研究方法

以一間典型的辦公建筑房間為原型，使用Parasol軟件建立外窗遮陽系統模型，研究外窗遮陽系統太陽得熱系數的全年變化規律及其對房間負荷的影響。Parasol軟件的計算內核為DEROH-LTH程序，該程序由美國德克薩斯大學建筑學院編寫，瑞典隆德大學建筑科學系在其基礎上進行修改和完善，并開發出該軟件，該軟件可以對不同外窗遮陽系統的太陽輻射得熱和空調能耗進行模擬計算，其計算可靠性在文獻[21]中得到了驗證。研究模擬計算了無遮陽外窗(雙玻中空玻璃)在全年逐月的月太陽得熱系數與月平均太陽高度角、4種外窗遮陽系統在0°～330°朝向方位角的年太陽得熱系數，最后分析了4種外窗遮陽系統形成的房間負荷。

2.1 模型建立

建筑房間的尺寸為5.0 m×4.0 m×3.0 m(長×寬×高)，外窗尺寸為2.4 m(長)×2.0 m(寬)，窗墻面積比為0.4，外窗玻璃為4 mm透明+12 mm空氣+4 mm透明的雙玻中空玻璃，窗戶所在墻為房間的外墻，其余三面墻為房間內墻，內墻與室外無傳熱，外墻傳熱系數為0.15 W/(m2·K)，地面反射比設定為20%。外窗的傳熱系數為2.88 W/(m2·K)，外窗的太陽得熱系數SHGC為0.768。外窗的傳熱系數采用冬季邊界條件計算，太陽得熱系數采用夏季邊界條件計算[22]，計算邊界條件具體如表1所示，房間模型示意圖見圖3。

表1 外窗熱工性能計算的環境邊界條件

圖3 房間模型示意圖

2.2 室內設計參數

本研究中，夏季室內設計溫度26 ℃、相對濕度60%，冬季室內設計溫度18 ℃、相對濕度40%，新風量根據“規定設定法”[23]計算為27 L/s，空調送風溫度為17 ℃，房間內熱源存在時間為工作日的07：00—17：00，內熱源參數設定見表2。室內設計參數和內熱源設定參數均符合相關規范標準。

表2 內熱源設定參數

2.3 室外氣象數據

典型年氣象數據源于“十三五”國家重點研發計劃“建筑節能設計基礎參數研究”項目關于建筑能耗模擬氣象年的研究成果。Parasol軟件模擬計算所需的數據包括室外干球溫度、天空有效溫度、太陽法向直射輻射強度、水平面散射輻射強度，將該典型年數據中計算所需的幾個參數提取出來，導入軟件進行模擬，由于典型年數據中缺乏天空有效溫度，天空有效溫度根據文獻[24]計算，本文不再贅述。在本研究中，選取我國夏熱冬冷地區的南京市進行模擬，模擬時間為1月1日至12月31日。

2.4 遮陽系統類型

在本次研究中遮陽布置方式分別為外置遮陽、中置遮陽及內置遮陽。外置遮陽產品為水平百葉遮陽窗簾，中置遮陽產品為卷簾，內置遮陽產品為水平百葉遮陽窗簾。模擬計算外窗在3種遮陽方式下全年的太陽得熱系數和空調能耗變化規律，并對模擬結果進行分析比較。表3為3種遮陽類型、示意圖及其性能參數。對于中置卷簾和內置水平百葉遮陽，程序使用遮陽裝置室內側和室外側對太陽短波、長波輻射的阻擋能力，來描述其遮陽性能。

表3 遮陽類型、示意圖及其性能參數

3 研究結果及分析

3.1 太陽得熱系數分析

對各朝向外窗遮陽系統的太陽得熱系數進行模擬計算，模擬中僅所要研究的朝向有窗，其他朝向均無窗。外窗遮陽系統的太陽得熱系數模擬計算結果如圖4、5所示。圖4為無遮陽雙玻中空外窗的全年逐月太陽得熱系數與月平均太陽高度角關系圖。可以看出，對于東向、西向和南向外窗而言，在月太陽得熱系數曲線的變化趨勢上，東、西向外窗的月太陽得熱系數曲線總體略微呈現先增大后減小的變化趨勢，且2個朝向外窗的月太陽得熱系數基本相等，南向外窗的月太陽得熱系數曲線受月太陽高度角的影響最為顯著，其總體明顯呈現先減小后增大的變化趨勢。南向外窗的月太陽得熱系數最大值、最小值分別出現在12月和5月。對于南京地區的北向外窗，僅在夏季上午日出后一段時間和下午近傍晚時間受到太陽直射輻射，冬季不會受到太陽直射照射，即北窗全年大部分時間接收太陽散射輻射，其月太陽得熱系數全年整體較為穩定。在全年逐月太陽得熱系數的變化幅度上，南向外窗的月太陽得熱系數曲線全年波動最大，其月太陽得熱系數最大值和最小值相差達到0.10，而且其夏季(6、7、8、9月)平均太陽得熱系數比冬季(1、2、11、12月)降低約13%。在4個朝向月太陽得熱系數與月平均太陽高度角的關系上，南向外窗的月太陽得熱系數與月平均太陽高度角的關系最為密切，其數值隨月平均太陽高度角增大而明顯減小。

圖4 無遮陽雙玻中空窗的月太陽得熱系數及月平均太陽高度角

圖5 不同遮陽方式外窗遮陽系統的年太陽得熱系數

對南京地區無遮陽雙玻中空外窗的月太陽得熱系數分析可知，外窗的月太陽得熱系數不僅存在不同朝向時的差異，而且表現出明顯的時間分布特征。夏季太陽輻射量大，通過外窗進入室內的太陽輻射熱量也較大，而東、西向外窗的太陽得熱系數在夏季略微升高，南向外窗的太陽得熱系數在夏季明顯降低，表明東、西向外窗夏季阻擋太陽輻射的能力要弱于南向外窗。南向外窗的太陽得熱系數在夏季達到低谷值，冬季達到峰值，主要原因是由于太陽位置的季節變化，其平均太陽高度角夏季比冬季高，從而導致外窗的平均太陽直射入射角在夏季大于冬季，太陽得熱系數呈現隨太陽入射角的增大而減小的一般規律[13]，所以模擬計算出的南向外窗夏季太陽得熱系數小于冬季太陽得熱系數。從月太陽得熱系數的角度考慮，東、西向外窗的隔熱節能潛力最大，其次是南向，北向由于全年受到太陽直射輻射的時間較短，接收的太陽輻射量也最少，因此隔熱節能潛力最小。由此可見，對于建筑節能而言，要分別計算夏季空調期和冬季供暖期外窗的太陽得熱系數，然后再進行全年的能耗計算，如果全年采用一個統一的數值來進行建筑能耗計算必然會產生較大的誤差。

圖5比較了采用外置水平百葉遮陽窗簾(百葉傾斜角=0°)、中置卷簾遮陽、內置水平百葉遮陽窗簾的3種外窗系統在不同朝向的年太陽得熱系數，外窗朝向方位角從0°～330°，每隔30°模擬計算一次。可以看出，采用不同遮陽方式的外窗系統在阻擋太陽輻射能力方面，中置卷簾遮陽外窗>外置水平百葉遮陽外窗>內置水平百葉遮陽外窗>無遮陽外窗。采用中置卷簾遮陽的外窗系統，不同朝向上的年太陽得熱系數基本趨于穩定；采用外置百葉遮陽窗簾和內置百葉遮陽窗簾的外窗系統，不同朝向上的年太陽得熱系數波動較大。

以上分析了4個朝向無遮陽雙玻中空外窗的月太陽得熱系數在全年的變化規律及其與月平均太陽高度角的關系，比較了不同遮陽方式的外窗遮陽系統的年太陽得熱系數。可以看出南向雙玻中空外窗的月太陽得熱系數曲線全年波動幅度最大，且太陽得熱系數在夏季(6、7、8、9月)比冬季(1、2、11、12月)降低了約13%，而東、西向雙玻中空外窗的太陽得熱系數全年較為穩定，太陽得熱系數在夏季略大于冬季；3種外窗遮陽系統中，中置卷簾遮陽外窗的年太陽得熱系數最小。

3.2 負荷分析

由于不同外窗遮陽系統對太陽輻射得熱的阻擋程度不同，進而會影響“設計日”負荷曲線峰值的衰減，這對于削弱空調設計負荷有重要意義。圖6以南向外窗為例，比較了不同外窗遮陽系統模型房間的夏季“設計日”冷負荷，需要指出的是本文中的“設計日”與一般而言的空調設計日不同，該軟件選取模擬期間冷熱負荷的最大值所在日作為“設計日”[22]，來比較不同外窗遮陽系統的熱工性能。可以看出夏季“設計日”峰值冷負荷均出現在15：00，其中無遮陽外窗的模型房間峰值冷負荷為2 028 W，中置卷簾遮陽外窗的模型房間峰值冷負荷最小，為1 165 W；內置水平百葉遮陽外窗、外置水平百葉遮陽外窗、中置卷簾遮陽外窗，與無遮陽外窗相比，夏季“設計日”峰值冷負荷分別降低了4.8%、20.7%、42.4%，累計冷負荷分別降低了5.9%、17.9%、38.0%。可以看出，中置卷簾遮陽外窗對峰值冷負荷的降低能力遠大于外置百葉遮陽外窗和內置百葉遮陽外窗，因此采用不同遮陽方式的外窗對房間夏季“設計日”峰值冷負荷和累計冷負荷影響很大，而進行空調系統設計時，根據峰值冷負荷來確定房間空調制冷量，峰值冷負荷越大，空調設備制冷量就相應越大，能耗也就越大，從這一角度考慮，選擇合適的外窗遮陽系統，然后正確計算空調負荷，對空調系統設計容量的合理選取和最終降低建筑能耗都有重要意義。

圖6 不同外窗遮陽系統模型房間“設計日”冷負荷(南向)

采用不同外窗遮陽系統的模型房間在南向的全年各月累計負荷與月太陽得熱系數的關系如圖7所示。圖7中橫軸上A為外窗無遮陽，B為外窗內置水平百葉遮陽，C為外窗中置卷簾遮陽，D為外窗外置水平百葉遮陽。可以看出，在月累計熱負荷占比較大的1、2、3和12月，月累計熱負荷隨著月太陽得熱系數的減小而增大，在月累計冷負荷占比較大的月份，月累計冷負荷隨著月太陽得熱系數的減小而減小。

圖7 不同外窗遮陽系統各月累計負荷與月太陽得熱系數(南向)

為進一步比較不同外窗遮陽系統對模型房間空調負荷的影響，圖8對采用不同外窗遮陽系統的模型房間在4個朝向的全年累計負荷及累計負荷降低率進行了比較。從圖8a可以看出，4個朝向的全年累計負荷均是外窗無遮陽最高，其次是外窗內置水平百葉遮陽、外窗外置水平百葉遮陽，最小的是外窗中置卷簾遮陽。同時，外窗遮陽系統的年太陽得熱系數與全年累計負荷呈現正相關。在外窗朝向對全年累計負荷的影響方面，西向窗戶全年累計負荷最高，主要原因是西向窗戶受太陽的長時間低入射角照射，窗戶的太陽得熱系數很大，同時室外氣溫較高，“西曬”現象嚴重，導致累計冷負荷很大，所以西向外窗隔熱節能潛力最大；類似地，東向窗戶也受到低角度太陽的照射，但由于太陽輻射較弱、室內外溫度不算太高，溫差熱流小，所以“東曬”房間熱環境比“西曬”稍好；南向窗戶受太陽照射的時間最長，但受到低角度太陽照射的時間比西向和東向短，其全年累計負荷小于西向開窗、大于東向開窗；北向窗戶僅在部分時段能夠收到太陽直接照射，更多的是天空散射和環境反射輻射得熱，其全年累計負荷最低。

圖8 4個朝向不同外窗遮陽系統房間的全年累計負荷及負荷降低率

圖8b給出了房間外窗采用不同遮陽形式的全年累計負荷降低率。這里的累計負荷降低率是指外窗采用遮陽設施前后，全年累計負荷降低的百分比。可以看出：南向和西向外窗采用遮陽后，全年累計負荷降低率高于東向、北向；而采用本文中置卷簾遮陽產品的南向外窗，由于太陽得熱系數最小，即模擬中使用的中置卷簾裝置遮陽性能優于外置水平百葉的遮陽性能，綜合來看其全年累計負荷降低率最大，達到36.7%。雖然通常西向外窗的隔熱節能潛力最大，但是在全年累計負荷降低率上，南向外窗采用遮陽后要優于相同遮陽形式的西向外窗。

4 結論

1) 外窗的月太陽得熱系數存在不同朝向的差異和明顯的時間分布特征。4個朝向中，南向雙玻中空外窗全年逐月太陽得熱系數變化最為顯著，其全年逐月的月太陽得熱系數最大相差達到0.10，且夏季太陽得熱系數比冬季太陽得熱系數降低13%。

2) 太陽得熱系數是動態變化的。隨太陽位置的變化，不同朝向的太陽得熱系數變化趨勢不同，在建筑外窗節能設計中，應從朝向和太陽高度角的季節變化考慮太陽得熱系數的計算，同時從更宏觀的角度來分析外窗遮陽產品的太陽得熱系數，不能簡單地將太陽得熱系數當作一個固定值。

3) 對外窗分別采用外置水平百葉遮陽、中置卷簾遮陽、內置水平百葉遮陽的房間進行空調負荷模擬，可以得出，由于采用中置卷簾遮陽的外窗系統SHGC更小，與無遮陽外窗相比，房間夏季“設計日”峰值冷負荷、累計冷負荷分別降低了42.4%和38.0%；外窗遮陽系統的年太陽得熱系數與全年累計負荷存在正相關關系，即外窗遮陽系統的年太陽得熱系數越大，房間的全年累計負荷也越大；采用中置卷簾和內置百葉遮陽的南向外窗，其全年累計負荷降低率大于采用相同遮陽形式的西向外窗。